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Description
IGBT6の表面部には、エミッタ電極Eに接続されているp+型のボディコンタクト領域136と、そのエミッタ電極Eに接続されているn+型のエミッタ領域134と、そのボディコンタクト領域136とエミッタ領域134を囲繞するp−型のボディ領域128が形成されている。p+型のボディコンタクト領域136とp−型のボディ領域128は同電位に維持されるために、一括してボディ領域と総称することもできる。
p−型のボディ領域128の下方にn−型のドリフト領域126が形成されており、その下方にn+型のバッファ領域124が形成されており、その下方にp+型のコレクタ領域122が形成されている。コレクタ領域122はコレクタ電極Dに接続されている。
エミッタ領域134とドリフト領域126を隔てているボディ領域128にトレンチが形成されおり、エミッタ領域134とドリフト領域126を隔てているボディ領域128にゲート絶縁膜133を介して対向するトレンチゲート電極132が形成されている。
コレクタ領域122から注入された正孔キャリアは、電子キャリアと再結合して消滅するか、ボディ領域128とボディコンタクト領域136を経由してエミッタ電極Eへ排出される。
特許文献1には、ドリフト領域とボディ領域のpn接合界面に、ドリフト領域よりも不純物濃度が高い高濃度半導体領域を形成した半導体装置が記載されている。この半導体装置によれば、エミッタ電極へ排出される正孔キャリアが、高濃度半導体領域とドリフト領域の界面に形成されるポテンシャル障壁によって、ドリフト領域内に溜まり易くなり、正孔キャリアの濃度を高くすることができる。正孔キャリアの濃度の増加に伴い、電子キャリアの注入量も増加するので半導体装置のオン電圧が低下する。
本発明は、ボディ領域内に少数キャリアを蓄積し、ボディ領域内の少数キャリア濃度を増大させ、半導体装置のオン電圧をさらに低下させることを目的とする。
ボディ領域は、不純物濃度が高いボディコンタクト領域と不純物濃度が低い狭義のボディ領域から構成されていてもよい。不純物濃度が高いボディコンタクト領域を設けると、電極との間でオーミック接続しやすいので有利である。
なお、トレンチゲート電極のトレンチ幅の異なる部分が部分的に形成されていることが重要であり、例えばトレンチゲート電極のトレンチ幅が、全長に亘って幅広で形成されていると、オフ耐圧が劣化するという問題がある。即ち、トレンチゲート電極のトレンチ幅が全長に亘って幅広であると、ボディ領域とドリフト領域のpn接合界面の面積が減少してしまう。このため、IGBTがオフしたときに、ボディ領域とドリフト領域のpn接合界面から広がる空乏層で保持し得る電界が減少する。その結果、トレンチゲート電極のゲート絶縁膜に電界が集中し易くなり、なかでもゲート絶縁膜の屈曲する箇所に電界が集中してIGBTが破壊される現象が生じやすい。したがって、トレンチゲート電極は、トレンチ幅の異なる部分が長手方向に部分的に形成されていることが重要であり、換言すると、隣接するトレンチゲート電極間の間隔が広い領域が部分的に形成されていることが重要である。これにより、隣接するトレンチゲート電極間の間隔が狭い領域ではゲート絶縁膜に集中し易い電界を、隣接するトレンチゲート電極間の間隔が広い領域側へ分散させることができる。隣接するトレンチゲート電極間の間隔が広い領域で、IGBTが破壊されることを抑制し、高い耐圧を維持することができる。
トレンチゲート電極のトレンチ幅が全長に亘って幅広であると、トレンチゲート電極のゲート絶縁膜の屈曲部に電界が集中し、オフ耐圧が低下する。一方、トレンチゲート電極のトレンチ幅が全長に亘って狭い場合は、従来から公知の半導体装置と同様であり、少数キャリアをボディ領域内に蓄積することができない。したがって、トレンチゲート電極のトレンチ幅が幅広な第1部分を、トレンチゲート電極の長手方向に沿って、部分的かつ離隔的に形成すると、オフ耐圧を低下させないで少数キャリアを蓄積できるようになる。
上記のIGBTでは、トレンチ幅の幅広な第1部分の長手方向の合計長さが、トレンチゲート電極の全長の30〜80%の範囲で形成されていると、ゲート絶縁膜に電界が集中してオフ耐圧が低下することなく、ボディ領域に少数キャリアが蓄積してオン電圧を低下させることができる。
この場合、隣接するトレンチゲート電極間の間隔が狭い領域と広い領域が、長手方向に沿って周期的に形成されることになる。これにより、隣接するトレンチゲート電極間の間隔の広い領域が等間隔で形成されることになる。したがって、ゲート絶縁膜に集中し易い電界が一様に分散し易くなる。
さらにこの場合、トレンチゲート電極の周期の位相が、隣接するトレンチゲート電極相互の間で揃っていることが好ましい。
トレンチ幅が長手方向に変化する位相が揃っていると、トレンチ幅が幅広な第1部分では隣接するトレンチゲート電極間の間隔が狭くなり、トレンチ幅が狭い第2部分では隣接するトレンチゲート電極間の間隔が広くなる。隣接するトレンチゲート電極間の間隔が狭い領域と広い領域が、交互に形成されることになる。これによりボディ領域内に少数キャリアを蓄積することができ、オン電圧を低下させることができる。また隣接するトレンチゲート電極間の間隔が広い箇所が交互に形成されているため、ゲート絶縁膜の屈曲部に電界が集中することがなくオフ耐圧が低下することもない。
(第1実施形態) エミッタ電極に接続されている第1導電型(例えばp型)のボディコンタクト領域と、そのエミッタ電極に接続されている第2導電型(例えばn型)のエミッタ領域と、ボディコンタクト領域とエミッタ領域を囲繞する第1導電型のボディ領域と、ボディ領域に接するとともにそのボディ領域によってボディコンタクト領域とエミッタ領域から隔てられている第2導電型のドリフト領域と、そのドリフト領域に接するとともにそのドリフト領域によってボディ領域から隔てられているバッファ領域と、そのバッファ領域に接するとともにそのバッファ領域によってドレイン領域から隔てられているコレクタ領域と、そのコレクタ領域に接続されているコレクタ電極と、エミッタ領域とドリフト領域を隔てているボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えているIGBTにおいて、そのトレンチゲート電極は、トレンチ幅の異なる部分がトレンチゲート電極の長手方向に形成されている。
(第2実施形態) ソース電極に接続されている第1導電型(例えばp型)のボディコンタクト領域と、そのソース電極に接続されている第2導電型(例えばn型)のソース領域と、ボディコンタクト領域とソース領域を囲繞する第1導電型のボディ領域と、ボディ領域に接するとともにそのボディ領域によってボディコンタクト領域とソース領域から隔てられている第2導電型のドリフト領域と、そのドリフト領域に接するとともにそのドリフト領域によってボディ領域から隔てられているドレイン領域と、そのドレイン領域に接続されているドレイン電極と、ソース領域とドリフト領域を隔てているボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極とを備えているMOSにおいて、そのトレンチゲート電極は、トレンチ幅の異なる部分がトレンチゲート電極の長手方向に形成されている。
(第3実施形態) トレンチゲート電極群の平面パターンの位相が、トレンチゲート電極の長手方向で揃っている。
(第4実施形態) トレンチゲート電極の幅の異なる部分が、トレンチゲート電極の長手方向に沿って一定の周期性をもって(等間隔で)形成されている。
(第5実施形態) トレンチゲート電極のトレンチ幅が幅広な部分の長手方向の長さは、隣接するトレンチゲート電極までの間隔の5倍以下で形成されている。
(第1実施例) 図1には、第1実施例の半導体装置1の要部斜視図が模式的に示されている。半導体装置1はコレクタ・エミッタ電極間を流れる電流のオン・オフを制御するトレンチゲート電極32を備えた半導体装置である。
半導体装置1の構成を半導体装置の膜厚方向(図中z方向)に裏面側から説明すると、アルミニウム等からなるコレクタ電極(図示省略)と接続されるp+型の不純物を含有するシリコン単結晶のコレクタ領域22が形成されている。そのコレクタ領域22上にはn+型の不純物を含有するシリコン単結晶のバッファ領域24が形成されている。そのバッファ領域24上にはn−型の不純物を含有するシリコン単結晶のドリフト領域26が形成されている。ドリフト領域26上にはp+型の不純物を含有するシリコン単結晶のボディ領域28が形成されている。
ボディ領域28を貫通してドリフト領域26に達し、そのボディ領域28にゲート絶縁膜33を介して対向しているトレンチゲート電極32が、並列に複数個形成されている(図中y方向に並列に形成されている)。ゲート絶縁膜33は酸化シリコンで形成され、トレンチゲート電極32はポリシリコンで形成されている。トレンチゲート電極32は、トレンチゲート電極32の長手方向(図中x方向)でトレンチ幅の幅広な部分が一定の周期で繰返して形成されている。あるいは、トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広な部分が等間隔で繰返されているとも言える。
トレンチゲート電極32の平面パターンを見ると、隣接するトレンチゲート電極32の平面パターンの周期の位相は揃っている。したがって隣接するトレンチゲート電極32の幅広な部分で挟まれた間隔は狭く形成され、隣接するトレンチゲート電極32の幅広でない部分で挟まれた間隔は広く形成されている。その隣接するトレンチゲート電極32に挟まれた狭い間隔と広い間隔が、トレンチゲート電極32の伸びている方向(x方向)に交互に周期的に形成されている。
各半導体領域の不純物濃度は、コレクタ領域22が1×1018〜1×1020cm-3の範囲であり、バッファ領域24が1×1016〜1×1018cm-3の範囲であり、ドリフト領域26が1×1013〜1×1014cm-3の範囲であり、ボディ領域28が1×1016〜1×1018cm-3の範囲であり、ボディコンタクト領域34が1×1018〜1×1020cm-3の範囲であり、エミッタ領域36が1×1018〜1×1020cm-3の範囲で形成されるのが好ましい。
複数のトレンチゲート電極32がy方向に並列に形成されており、そのトレンチゲート電極32の長手方向(図中x方向)にトレンチ幅が幅広な部分(図中L4)が周期的に形成されている。したがって、このトレンチ幅の幅広な部分(図中L4)は、トレンチ幅が幅広ではない部分を含めた周期(図中L3)に対してある割合で形成されていることになる。換言すれば、トレンチゲート電極32の全長の長さに対してある割合で形成されているとも言える。この割合は、30〜80%の範囲で形成されているのが好ましい。
また、トレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広な部分(図中L4)は、隣接するトレンチゲート電極32との間隔が狭い領域(図中L1)を形成する。同様にトレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広でない部分は、隣接するトレンチゲート電極32間の間隔が広い領域(図中L2)を形成する。この隣接するトレンチゲート電極32間の間隔が狭い領域(図中L1)と広い領域(図中L2)が、トレンチゲート電極32の平面パターンの周期に沿って、トレンチゲート電極32の伸びる方向(図中x方向)に周期的に形成されている。
ボディコンタクト領域36の表面積は、隣接するトレンチゲート電極32間の間隔が狭い領域(図中L1)が形成されることで、その表面積は小さくなっている。
エミッタ電極を接地し、コレクタ電極に正電圧を印加し、トレンチゲート電極32に正電圧を印加すると、ボディ領域28のうちトレンチゲート電極32と対向する箇所がn型に反転される。そのために、電子キャリアがエミッタ領域34からそのn型に反転した箇所をトレンチゲート電極32に沿って通過し、ドリフト領域26へ注入される。ドリフト領域26に注入された電子キャリアは、そのドリフト領域26内をコレクタ電極側へ向かって流れ、電子キャリアはバッファ領域24内に蓄積する。電子キャリアがバッファ領域24に蓄積すると、バッファ領域24とコレクタ領域22の接触電位差が低下し、コレクタ領域22からバッファ領域24へ正孔キャリアが導入され、さらにはドリフト領域26へ正孔キャリアが注入される。これによりバッファ領域24及びドリフト領域26に伝導度変調現象が起こり、低いオン電圧を実現する。
このとき、トレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広な部分に挟まれた領域(図2中のL1に対応する領域)にはボディコンタクト領域36が形成されているため、このボディコンタクト領域36に向かって、このボディコンタクト領域36の下方のボディ領域28内に、ドリフト領域26から正孔キャリアが流入してくる。しかしながら、トレンチ幅が幅広なトレンチゲート電極32で挟まれたこのボディ領域28は、その幅が狭くなっているため正孔キャリアに対する拡散抵抗が大きくなっている。さらに、ボディコンタクト領域36の面積が小さくなっているため、その正孔キャリアに対するコンタクト抵抗も大きい。したがって、このトレンチ幅が幅広な部分に対応するボディ領域28とボディコンタクト領域36を経由してエミッタ電極へ排出される正孔キャリアに対する抵抗値が大きく、そのためボディ領域28内の正孔キャリア濃度が高くなる。これに伴って、エミッタ領域34から注入される電子キャリアが増加するのでオン電圧が低下する。
(第2実施例) 図3に半導体装置2の要部斜視図が模式的に示されている。半導体装置2は、第1実施例の半導体装置1の構成と比較すると、エミッタ領域34を形成する位置が異なっている。トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広の部分に挟まれたボディ領域28上部にもエミッタ領域34が形成されている。
この場合、トレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広な部分に対向するボディ領域28内に形成された反転層を、エミッタ領域34から注入された電子キャリアがチャネルとして効果的に利用できる。したがって、チャネル幅が広くなりオン電圧を低下させることができる。
トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広な部分は、第1実施例の半導体装置1のように矩形である必要はなく、多角形で構成されていてもよい。第3実施例の場合は略六角形の形状となっている。この場合でも、第1実施例の半導体装置1と同様の作用効果によってトレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広な部分に挟まれた領域の正孔キャリアに対する拡散抵抗やコンタクト抵抗が高くなり、オン電圧が低下する。
この場合でも、トレンチゲート電極32のトレンチ幅が幅広な部分が、隣接するトレンチゲート電極32間の狭くし、その狭い間隔において正孔キャリアに対する拡散抵抗やコンタクト抵抗が高くなり、オン電圧が低下する。
参考例の半導体装置5は、トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広な部分に挟まれた領域の上部にエミッタ領域34が形成されている。また、参考例では、トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広な部分に挟まれた領域の幅(図中L1)が極めて狭く形成されている。極めて狭く形成されていると、トレンチゲート電極32にゲート電圧が印加されていない状態ではエミッタ領域34の下方に形成されているボディ領域28が実質完全空乏化される。つまり、ゲート絶縁膜32とボディ領域28の接合界面から広がる空乏層が、このトレンチで挟まれた箇所が極めて狭くなると、対向するトレンチゲート電極32から広がる空乏層が繋がるために、トレンチゲート電極32にゲート電圧が印加されていない状態でボディ領域28内が実質完全空乏化されるのである。これにより、トレンチゲート電極32にゲート電圧が印加されると、空乏層がそれ以上広がることができないために、すぐに反転層が形成される。つまり、半導体装置のターンオン時間が短くなる。
なお、参考例の半導体装置5においても、ボディコンタクト領域36の面積が減少しているために、正孔キャリアに対するコンタクト抵抗が増加している。したがってボディ領域28内の正孔キャリア濃度は高くなっており、オン電圧の低下も実現している。
トレンチゲート電極32のトレンチ幅の幅広な部分に挟まれた領域を実質完全空乏化するには、その領域の幅(図中L1)とトレンチゲート電極32のゲート絶縁膜33の膜厚を適宜調整すればよい。また、この領域が実質完全空乏化される場合は、その領域の導電型は特に問題とならないため、エミッタ領域34の下方にボディ領域28が形成されていなくてもよく、エミッタ領域34がドリフト領域26に直接接していてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
24:バッファ領域
26:ドリフト領域
28:ボディ領域
32:トレンチゲート電極
33:ゲート酸化膜
34:エミッタ領域(第2導電型半導体領域)
36:ボディコンタクト領域
Claims (2)
- 一対の主電極と、
一方の主電極に接続されている第2導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域を囲繞するとともに、前記一方の主電極に接続されている第1導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域に接するとともに、前記ボディ領域によって前記エミッタ領域から隔てられている第2導電型のドリフト領域と、
前記エミッタ領域と前記ドリフト領域を隔てている前記ボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているトレンチゲート電極を備えているIGBTにおいて、
前記トレンチゲート電極は、トレンチ幅が第1幅の第1部分とトレンチ幅が前記第1幅よりも狭い第2幅の第2部分を有しており、前記第1部分と前記第2部分が前記トレンチゲート電極の長手方向に交互に形成されており、
前記第1部分の長手方向の合計長さが、前記トレンチゲート電極の全長の30〜80%の範囲で形成されており、
前記エミッタ領域は、前記トレンチゲート電極の少なくとも前記第2部分に接していることを特徴とするIGBT。 - 前記第1部分と前記第2部分が、前記トレンチゲート電極の長手方向に沿って周期的に繰返されて形成されており、その周期の位相が、隣接する前記トレンチゲート電極において揃っていることを特徴とする請求項1のIGBT。
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